IMPORTÂNCIA DO CONTROLE TÉRMICO

Na indústria a temperatura é um dos parâmetros de mais fácil compreensão e seu monitoramento permite constatar alterações nas condições dos equipamentos, componentes e do próprio processo produtivo, já que seu valor pode indicar de forma direta o estado do processo mensurado. O controle da temperatura reflete ainda em menor consumo de matérias primas, qualidade do produto final, desgaste em peças, vida útil do equipamento, entre outros. Em muitos casos a temperatura deve ser monitorada em regiões internas e inacessíveis de equipamento, como por exemplo, mancais e rotores de motores, e interior de fornos. Devido à dificuldade de obtenção da temperatura interna, as condições de funcionamento dos equipamentos são ajustadas com base em temperatura medidas em regiões acessíveis, como por exemplo, na superfície externa ou carcaça de máquinas e fornos, o que pode acarretar em falhas operacionais, já que, devido às incertezas e variações existentes nas medições, podem resultar em valores que resultam em avaliações erradas. Certos equipamentos possuem sensores térmicos inerentes à sua construção, porém estes sensores são utilizados apenas como sistemas de proteção e não de medição.

Na indústria mecânica, maquinários e equipamentos são normalmente construídos com materiais metálicos, condutores de calor, e, portanto, é comum na prática considerar a temperatura interna próxima àquela medida na superfície ou carcaça da máquina. Sabe-se, no entanto, que essa aproximação não é verdadeira, levando a erros de operação e incertezas relacionadas à manutenção, uma vez que a temperatura de superfície esta sujeita à variações da fonte de calor, efeitos convectivos e radiativos do meio.

A vida útil de um motor elétrico é afetada por sua temperatura de operação. Há um senso comum que a cada 10°C acima da temperatura de projeto, tem-se uma redução de 50% na vida útil do motor. Além do desgaste dos isolantes elétricos, a elevação da temperatura incrementa a resistência elétrica dos condutores, elevando as perdas térmicas por efeito Joule (Malipatil e Reddy, 2014).

Bonnett (2001) apresenta um motor composto por três partes: estator, rotor e rolamentos. Todas as partes são responsáveis pelo aquecimento do motor, seja por efeito Joule nos condutores elétricos ou por perdas magnéticas nos entreferros presentes no estator e no rotor, seja por atrito nos rolamento. A elevação da temperatura provoca o desgaste precoce do motor, pois acelera processos de oxidação, perda de isolamento elétrico, perda da rigidez dos materiais, entre outros problemas. Bonnett (2001) analisa os itens apresentados na norma IEEE 841, que regulariza as especificações de motores de alto desempenho com potência entre 1 cv e 500 cv, com até 8 pólos. Tal norma discorre sobre relações entre temperatura e funcionamento do motor e apresenta informações importantes sobre a influência da pressão atmosférica, temperatura ambiente, tipo de isolamento e lubrificantes aplicados nos motores. É percebido no estudo que os principais elementos sensíveis à temperatura são os lubrificantes e isolamentos elétricos, uma vez que se deterioram de forma mais rápida caso excedam a temperatura de projeto.

Cui et al. (2012) realizam um estudo térmico e magnético de motores elétricos aplicados em trens de alta velocidade. Métodos numéricos foram usados para modelar e estimar as trocas térmicas por convecção nos motores. Os autores fazem uso de dados experimentais sobre a temperatura das superfícies dos motores e do fluxo de ar circundante. A partir dos resultados obtidos é confirmada a importância da ventilação como parâmetro de controle da temperatura. Os autores comentam que as maiores temperaturas foram atingidas nas extremidades dos enrolamentos do estator. Já para o rotor, as maiores temperaturas ocorrem no centro axial. Cui et al. (2012) citam inclusive que o projeto correto do isolantes elétricos permitem um aumento na potência do motor elétrico, mas que resulta em maiores perdas térmicas.

Y. Huai et al. (2003) desenvolvem o modelo térmico de um motor gaiola de esquilo por meio do software FEMLAB, que considera as perdas por efeito Joule de origens magnética e térmica. O modelo térmico foi validado por meio de dados experimentais, para diferentes frequência e tensão de alimentação, com erros entre as temperaturas calculadas e experimentais menores que 10%. Foi observado que as maiores temperaturas são atingidas ao

longo das bobinas do estator. O modelo térmico desenvolvido deverá ser aplicado como parâmetro de entrada para um sistema de controle, de modo que opere com eficiência ideal e auxilie na prevenção de danos provenientes da temperatura.

Em um transformador elétrico a elevação da temperatura pode indicar as condições de operação do mesmo. Um transformador com elevada eficiência gera menor quantidade de calor, consequente menor perda de energia elétrica (Copper Alliance, 2013). Quanto maior a temperatura, maior será a dissipação de energia, consequentemente, maior será o sistema de refrigeração da máquina. Para a medição da temperatura em transformadores podem ser adotados métodos invasivos que consistem em sensores submersos no óleo de isolamento ou soldados entre as bobinas (Barros, 2007).

Tsili et al. (2010) apresentam um modelo tridimensional para estudo do perfil térmico de dois transformadores, um de 400kVA e outro de 160kVA, considerando a interação entre as perdas termomagnéticas e o comportamento termo-fluido-dinâmico do óleo. Os coeficientes de trocas térmicas entre as partes (bobinas, óleo e ambiente) são calculados para o modelo de forma iterativa, minimizando a diferença entre as temperaturas calculadas e experimentais obtidas por meio de sensores instalados nos enrolamentos das bobinas de alta e de baixa tensão. Por meio do modelo é possível inclusive estimar as perdas térmicas em cada enrolamento para cada modelo de transformador testado.

Por meio da temperatura têm-se informações importantes sobre a vida útil de mancais e rolamentos e, mesmo desconhecendo o real estado dos componentes, manutenções ou paradas podem ser programadas. O aumento da temperatura em mancais tem influência direta na viscosidade do lubrificante, aumentando o desgaste, degradação do lubrificante e dos batentes. Takabi e Khonsari (2013) desenvolveram um modelo térmico para mancais rolamentados de modo a estimar a temperatura sob diversas condições de operação. O modelo prevê que o calor será originário apenas por atrito, se propaga por meio de condução e é perdido ao ambiente por efeito convectivo. Também é levada em consideração a expansão volumétrica dos componentes, que interfere nos coeficientes de atrito. O mancal real e seu modelo computacional são submetidos a diversas condições de torque e velocidade. Para cada condição de trabalho são medidas as temperaturas na superfície externa e do óleo do rolamento. O modelo foi utilizado para avaliar o comportamento térmico do mancal frente à variação de diversos parâmetros (velocidade, torque, coeficiente convectivo).

Matzan (2007) cita que a temperatura, mesmo sendo importante indicador do estado do mancal, não é usualmente adotada com parâmetro de manutenção, devido às incertezas

relacionadas ao sistema de medição. Normalmente a manutenção é baseada na vibração mecânica e qualidade do óleo. Por este motivo a termometria infravermelho, método usualmente utilizado, é aplicada apenas para identificar níveis críticos de operação do mancal. A termografia é aplicada em transportes ferroviários, onde sensores são instalados ao longo da linha férrea. Ao passar acima de um sensor, é medida a temperatura dos rolamentos. A temperatura do mancal também pode ser estimada por meio do eixo conectado. Tal método não é eficiente já que depende das características térmicas e geométricas do eixo, da convecção a ele aplicada e da resistência de contato entre o eixo e o mancal.

Na indústria alimentícia o monitoramento da temperatura reduz as perdas, por exemplo, por degradação e congelamento do produto. Na prática são adotados métodos tradicionais para a medição da temperatura, com termopares, RTD e termômetros. Neste caso os sensores podem entrar em contato direto com os alimentos ou não. Para determinar a temperatura interna de alimentos por meios não invasivos, Jannot et al. (2004) propuseram o desenvolvimento de um sensor a ser instalado na superfície das embalagens. O sensor é composto de um bloco de cobre, uma célula Pieltier e dois termopares. Conhecendo as temperaturas das faces e o fluxo de calor que atravessa a célula Pieltier durante o regime transiente, é possível estimar a taxa de resfriamento do alimento, e consequente temperatura interna. Segundo os autores, o interesse no desenvolvimento deste sensor se deve ao fato dos alimentos estarem confinados em embalagens, e a simplicidade e baixo custo do sensor, já que é composto de materiais de fácil obtenção.

Baterias e células combustível tem seu rendimento afetado pela elevação da temperatura, sendo importante o monitoramento térmico para aumentar sua vida útil e reduzir o perigo de incêndios ou vazamento de materiais tóxicos. Algumas baterias possuem um sensor térmico instalado na superfície. Nesses casos é dito que a temperatura externa é similar à interna. Esta abordagem é incorreta já que a temperatura interna pode variar rapidamente, sendo percebida na superfície com atrasos. Para monitoramento em tempo real das condições de operação de células combustível, Lee et al. (2014) desenvolvem um micro-sensor eletromecânico de dimensões reduzidas para aquisição da temperatura, pressão e fluxo de água no interior da célula. O sensor desenvolvido foi instalado no interior da célula e fornece informações sobre as condições de operação, estado da reação, intensidade momentânea ou variações ao longo do tempo.

As baterias utilizadas em veículos elétricos tem seu desempenho afetado caso o gradiente de temperatura entre o interior e o exterior supere 10ºC e, neste caso, há grande

risco de explosão. Por isso é de suma importância uma metodologia para determinar a temperatura interna de forma eficiente. Richardson et al. (2014) desenvolveram um modelo térmico unidimensional permanente para cálculo da temperatura interna de uma bateria cilíndrica com base na temperatura externa e impedância térmica da bateria. A determinação da impedância térmica, por ser um método destrutivo, ocorre apenas uma única vez, admitida igual para baterias com mesmas características. Conhecida a impedância térmica e as dimensões da bateria, a temperatura interna pode ser estimada, e utilizada, juntamente com dados sobre a tensão e corrente elétricas fornecidas, para controle e gestão da bateria.

Na área médica, a temperatura é um dos principais parâmetros para definir o estado de saúde do paciente. Além disso, alguns tratamentos médicos utilizam a temperatura como parte de sua prescrição. A hipertermia, técnica que consiste em elevar a temperatura em uma região afetada pelo câncer, de modo a estimular o sistema imunológico e matar as células cancerígenas, tem sua eficiência dependente da temperatura. Temperaturas baixas não afetam as células cancerígenas, e muito altas matam inclusive as células saudáveis. Normalmente a temperatura é obtida por técnicas invasivas, por meio da inserção de um sensor com um cateter.

Allegretti et al. (2015) avaliam o uso da ressonância magnética para estimar a variação na temperatura de um tecido interno durante o tratamento de câncer por meio da ablação térmica com o uso de laser. A variação na temperatura dos tecidos é estimada por meio da quantidade de energia medida pela ressonância magnética. O modelo matemático desenvolvido foi testado experimentalmente em tecidos do pâncreas e fígado (retirados do corpo) submetendo-os à ablação, ao mesmo tempo em que são monitorados por meio da ressonância magnética, e suas temperaturas internas medidas por meio de sensores FBG (Fiber Bragg Grating). A ressonância magnética se mostrou promissora na estimativa de um perfil térmico tridimensional do tecido, uma vez que as variações nas temperaturas estimadas por meio da ressonância são próximas daquelas obtidas experimentalmente.

Hayden et al. (2013) destacam a influência da viscosidade na medição da temperatura por meio de infravermelho durante processo de síntese de polímeros e compostos orgânicos com irradiação de micro-ondas. A aplicação de micro-ondas aquece os reagentes e promove as reações químicas necessárias. Caso a temperatura não esteja correta, a reação pode ser incompleta ou alterar as propriedades dos reagentes. São realizados processos aplicando diferentes potências das micro-ondas, tipos de reagentes e a velocidade do agitador, com intuito de confrontar as temperaturas obtidas por meio de um sensor infravermelho com as

temperaturas obtidas por um sensor FBG, inserido de modo invasivo no experimento. Uma vez que a temperatura medida por infravermelho é aquela da superfície, os resultados confirmam que a precisão nas medidas é influenciada pelo volume dos reagentes (quanto maior o volume, maior o atraso na determinação da temperatura correta), a velocidade de rotação do misturador (quanto maior mais rápida e estável é a resposta), e a viscosidade do material (quando maior a viscosidade, menos correta a indicação de temperatura).

Na indústria alimentícia, o controle da temperatura minimiza os riscos aos consumidores. Bactérias podem se multiplicar de forma acelerada caso os produtos sejam armazenados ou transportados em temperaturas indevidas. A Food Standards Agency (2015) relaciona as consequências do manuseio, transporte e armazenamento de alimentos de acordo com a temperatura. A agência define faixas de temperatura adequadas para evitar a deterioração precoce dos alimentos, proliferação e contaminação por bactérias, além de apresentar práticas corretas para cada possível problema relacionado à temperatura.

Rajeshwari et al. (2000) pesquisaram o tratamento de rejeitos industriais por meio de reações anaeróbias. O rendimento do processo está diretamente relacionado ao controle do ph e da temperatura no meio. As bactérias anaeróbias responsáveis pela digestão são distintas conforme a faixa de temperatura que melhor se desenvolvem, o que implica que grandes variações na temperatura restringem o desenvolvimento das bactérias, e reduzem o rendimento dos reatores. Os autores citam a existência de três fases ao longo do tratamento anaeróbio dos resíduos, distintas por meio das principais reações ocorridas. O controle térmico é de suma importância no rendimento da segunda e terceira fase, já que as bactérias responsáveis pela degradação dos materiais são sensíveis à variação térmica.

Ahsan et al. (2005) avaliam o efeito da temperatura ao longo do tratamento de esgoto para remoção de particulado, e controle da quantidade de íons e oxigênio disponível. Os resultados apresentam uma relação positiva entre a temperatura e a capacidade de tratamento dos resíduos.

Na sequência, apresentam-se informações sobre sensores e metodologias para medição da temperatura interna de forma indireta.

2.2. MÉTODOS PARA DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA INTERNA POR